基于Java的FPGA可編程嵌入式系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，不能滿足用戶可變的豐富多彩的應(yīng)用需求。為解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種使用Java作為軟件平臺(tái)的基于FPGA的可編程嵌入式系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)多種本地應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的支持。

　　1. 概述

　　傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是找到一種優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)來完成單一的，特定的功能。對(duì)這樣的系統(tǒng)來說，ASIC和核心處理器是作為特別的構(gòu)件模塊加以考慮的：設(shè)計(jì)者根據(jù)應(yīng)用的要求選擇適當(dāng)?shù)腁SIC，根據(jù)給定的性能要求比如處理器主頻，系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及對(duì)功耗的要求等選用適當(dāng)?shù)奶幚砥鲀?nèi)核。

　　然而，在當(dāng)今移動(dòng)通信已經(jīng)進(jìn)入每個(gè)人的生活的今天，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)比如PDA等已經(jīng)不同于傳統(tǒng)意義上的嵌入式系統(tǒng)了，它們有自己的獨(dú)特特點(diǎn)。客觀需要要求它們能夠支持多種應(yīng)用功能如網(wǎng)頁瀏覽，播放音頻/視頻文件，以及進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信等。

　　這樣看來，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路因?yàn)橹幻嫦騿我坏膽?yīng)用，無法滿足多應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的需求。而解決這一問題的良好途徑便是向嵌入式系統(tǒng)引入可編程能力，以使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的不同要求實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用的支持。

　　為了向系統(tǒng)中引入可編程能力，我們考慮在系統(tǒng)中嵌入FPGA，因?yàn)镕PGA具有下列特點(diǎn)，使得它成為我們的首選：

　　1.現(xiàn)在的FPGA的處理能力和邏輯容量已經(jīng)接近于專用ASIC，功耗也比較低，能夠滿足我們系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求;

　　2.由于FPGA具有的可重編程能力，使用了FPGA的嵌入式系統(tǒng)能夠滿足各種不同的應(yīng)用要求;

　　從嵌入式系統(tǒng)管理的角度來說，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的支持也是很有必要的，也是很有特色的一個(gè)應(yīng)用，因?yàn)樗沟脧倪h(yuǎn)端服務(wù)器下載新的應(yīng)用程序并在本地運(yùn)行成為可能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)功能的支持，我們采用Java作為軟件平臺(tái)。因?yàn)镴ava運(yùn)行在Java虛擬機(jī)之上，它能夠下載并執(zhí)行新的應(yīng)用程序代碼，并且無需在下載后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

　　綜上所述，這個(gè)新的嵌入式系統(tǒng)是基于Java的，有一個(gè)FPGA和標(biāo)準(zhǔn)處理器相連。我們通過網(wǎng)絡(luò)下載Java代碼和可以對(duì)FPGA進(jìn)行編程的比特流。該系統(tǒng)也支持對(duì)FPGA的動(dòng)態(tài)重新配置。為了實(shí)現(xiàn)硬件(FPGA)和軟件(Java應(yīng)用程序代碼)之間的通信，又定義了一組本地API，以使得從Java應(yīng)用層能夠訪問到底層的硬件。為了調(diào)用這些本地API，采用了Java本地接口(JNI)。在本文中，將一些Java函數(shù)(Java method)用FPGA可編程硬件來實(shí)現(xiàn)，稱之為硬件方法(HW method)。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)一個(gè)Java函數(shù)功能的對(duì)應(yīng)的硬件方法實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　輸入緩存和輸出緩存分別用來接收輸入參數(shù)和存儲(chǔ)輸出結(jié)果?？刂凭彺嬗糜趯?duì)硬件方法的控制和檢測(cè)，比如向硬件方法發(fā)出啟動(dòng)指令，檢查其所處的狀態(tài)并判斷操作是否完成等。該模塊中的所有緩存都映射到處理器物理地址空間中，處理器可以使用正常的讀寫指令完成對(duì)這些緩存的訪問。

　　圖2是該嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)處理器，一個(gè)FPGA和一個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)單元構(gòu)成。它們之間通過共享的系統(tǒng)總線連接在一起。

　　當(dāng)處理器向一個(gè)硬件方法發(fā)出讀寫操作指令時(shí)，該硬件方法在其自己的地址解碼器的幫助下向數(shù)據(jù)總線上發(fā)送對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)。在這里，我們可以認(rèn)為是處理器發(fā)起的硬件/軟件通信指令，而FPGA則是作為一個(gè)從屬單元做出回應(yīng)。因?yàn)樵谔幚砥靼l(fā)起初始指令后，就由可配置管理器來負(fù)責(zé)管理FPGA編程。這樣一來，就實(shí)現(xiàn)了處理器和FPGA的并行運(yùn)行。

　　如圖3所示，我們選擇Java作為軟件平臺(tái)，并且裝載了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)為Java實(shí)時(shí)應(yīng)用程序提供基本的服務(wù)，比如線程和其它硬件管理等。

　　通過系統(tǒng)管理器，可以從遠(yuǎn)程服務(wù)器下載Java應(yīng)用程序。系統(tǒng)管理器主要實(shí)現(xiàn)了下面3種協(xié)議：

　　1. 應(yīng)用程序代碼(包括可對(duì)FPGA進(jìn)行編程的比特流)下載協(xié)議;

　　2. 用于遠(yuǎn)程管理的系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)的協(xié)議;

　　3. 控制對(duì)嵌入式系統(tǒng)訪問權(quán)限的認(rèn)證協(xié)議。

　　系統(tǒng)管理器包括基于socket連接的客戶端類加載器。遠(yuǎn)端應(yīng)用程序可以下載到本地并按照下面的過程執(zhí)行：

　　1. 完成認(rèn)證過程，系統(tǒng)進(jìn)入管理模式;

　　2. 下載應(yīng)用程序代碼，完成系統(tǒng)初始化，比如加載FPGA可編程比特流到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元;

　　3. 執(zhí)行新的應(yīng)用程序。

　　在該系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化起見，預(yù)先映射硬件方法地址到確定的系統(tǒng)物理存儲(chǔ)區(qū)，目的是為了尋址操作的方便快捷。

　　由于我們使用了Java軟件平臺(tái)，應(yīng)用程序就無法直接訪問底層的硬件。這就是說，運(yùn)行在處理器Java虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序不能直接訪問映射到FPGA中硬件方法的緩存區(qū)域。為解決這個(gè)問題，理論上可以采用下面兩種方法：

　　1. 修改Java虛擬機(jī)，使其具有對(duì)處理器物理地址的直接訪問能力;

　　2. 單獨(dú)設(shè)計(jì)一種Java本地接口(JNI)，使得應(yīng)用程序通過該接口提供的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件方法映射到的物理地址的訪問。

　　盡管第一種方案的效率較高，并且沒有引入額外開銷，但是修改Java虛擬機(jī)內(nèi)核是相當(dāng)繁雜的工作，同時(shí)也可能會(huì)引起潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定。第二種方案雖然引入了一定的額外開銷，但便于移植和實(shí)現(xiàn)。因此，我們采用方案二，在Java虛擬機(jī)和Java本地接口之外又設(shè)計(jì)了一個(gè)本地通信庫。

　　本地通信庫API形式如下：

　　int hwWriteXXX(int addr, XXX p);

　　int hwWriteArrayXXX(int addr, XXX[] p);

　　XXX hwReadXXX(int addr);

　　XXX[] hwReadArrayXXX(int addr);

　　int hwConfig(int cf_mem_addr, int bitstr_size);

　　Java本地接口層接口的形式如下：

　　class HWInterface{

　　static int ConfigStatus;

　　public static native int setParam(CID hw_cid, object P)

　　{

　　if(type_of_P == XXX)

　　err = hwWriteXXX(hw_cid.addr, (XXX)P);

　　return err;

　　}

　　public static native int getResult(CID hw_cid, object R);

　　public static native int setCMD(CID hw_cid, int cmd);

　　public static native int getStatus(CID hw_cid);

　　public synchronized static native int configHW( CID hw_cid);

　　}

　　在上面代碼中，XXX表示基本的Java數(shù)據(jù)類型如整型(integer)、浮點(diǎn)型(float)、雙精度型(double)等。

　　Java應(yīng)用程序通過類HWInterface提供的方法訪問本地庫。上面的代碼中給出了setParam的具體實(shí)現(xiàn)。其中，CID是包括硬件方法映射到的緩存地址的一個(gè)對(duì)象，對(duì)應(yīng)于每個(gè)硬件方法的CID都是唯一的，因此，該地址和緩存區(qū)大小都是事先已經(jīng)確定了的。但是，由于系統(tǒng)中只有一個(gè)配置控制器，我們無法同時(shí)就兩個(gè)或多個(gè)硬件方法向FPGA進(jìn)行編程，也可以說同一時(shí)刻只能有一個(gè)硬件方法在使用配置控制器。為此，引入了一個(gè)靜態(tài)變量ConfigStatus來反映配置控制器的當(dāng)前狀態(tài)。所以，訪問配置控制器的函數(shù)configHW()是靜態(tài)的同步的。

　　使用上面給出的接口，則下面這段代碼

　　methodA()

　　{

　　…;

　　int a = objA.m1(2); //SW method

　　int b = objB.m2(3); //HW method

　　int c = a + b;

　　…;

　　}

　　就應(yīng)該寫成下面的形式：

　　methodA()

　　{

　　…;

　　1 HWInterface.configHW(cid2); // cid2 is the ID of HW method m2

　　2 Object P = new Integer(3);

　　3 HWInterface.SetParam(cid2,P);

　　4 HWInterface.startHW(cid2);

　　5 int a = objA.m1(2);

　　6 Object R = new Integer();

　　7 While(HWInterface.getResult(cid2, R) == 0)

　　; //wait until HW method finished

　　8 HWInterface.getResult(cid2, R);

　　9 int b = ((Integer)R.getValue());

　　10 int c = a + b;

　　…;

　　}

　　在上例中，為了執(zhí)行FPGA中的函數(shù)objB.m2()，首先對(duì)FPGA進(jìn)行編程(Line1)。然后，將參數(shù)拷貝到硬件方法的輸　入緩存中(Line3)，并對(duì)硬件方法進(jìn)行初始化(Line4)。最后，采用了一個(gè)循環(huán)函數(shù)持續(xù)檢查硬件方法緩存的狀態(tài)(Line7,8)，直至計(jì)算完成，然后拷貝得到結(jié)果(Line9)。

　　3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　使用ARM710T處理器和Virtex的FPGA，根據(jù)上文給出的設(shè)計(jì)方案，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，兩個(gè)調(diào)試接口，一個(gè)PCI主機(jī)接口和一個(gè)串行口。并移植了一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)和一個(gè)小巧的Java實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境。如圖4：

　　4. 總結(jié)

　　本文用一種全新的思路，對(duì)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一種能夠支持多種應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。利用FPGA的可編程性和Java平臺(tái)良好的移植性能，該平臺(tái)完全能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，也有不足之處，比如對(duì)配置控制器的狀態(tài)的獲取，可以考慮使用中斷的方式來實(shí)現(xiàn)，而不是采用本文中的循環(huán)查詢機(jī)制。這將在以后的工作中加以改進(jìn)。